1.6.4. Автоматизация процессов регенерации химикатов в содорегенерационном котлоагрегате

1.6.4.1. Характеристика объекта управления

Содорегенерационный котлоагрегат (СРК) явля­ется важным элементом цикла регенерации хими­катов сульфат-целлюлозного завода и предназначен для регенерации (восстановления свойств) черного щелока, отработанного в процессе варки целлюло­зы. Процесс регенерации черного щелока осуществ­ляется в топке СРК за счет его сжигания. Тепловая энергия, выделенная в процессе сжигания органи­ческих соединений черного щелока, утилизируется в котле для производства перегретого водяного пара. Объединение химических и тепловых процессов в одном агрегате классифицирует его сложным энер­готехнологическим объектом управления: в нем объ­единены химический реактор с паровым энергетиче­ским котлоагрегатом [130, 131]. Особенностью дан­ных энерготехьологических установок является их повышенная взрывоопасность. Схема процесса ре­генерации щелока представлена на рис. 1.104.

Производя декомпозицию сложного процесса регенерации щелока в СРК, можно выделить сле­дующие стадии и процессы:

• подготовка щелока к сжиганию;

• сжигание щелока в топке котла;

• производство зеленого щелока из плава;

— генерация водяного пара за счет утилизации тепла от сжигания щелока;

• очистка дымовых газов СРК в электрофиль­тре и скруббере;

• очистка внешних поверхностей нагрева па­роводяного тракта котла от зольных отложений для повышения эффективности теплообмена меж­ду дымовыми газами и пароводяным трактом.

Подготовка щелока к сжиганию. Крепкий чер­ный щелок после процесса упаривания в вакуум-выпарной установке и концентраторе подают в сме­ситель-подогреватель для смешения с сульфатом натрия и золой (минеральные вещества сгоревше­го щелока), удаленной из газохода котла. Суль­фат натрия дозируют для восполнения потерь хи­микатов целлюлозного завода. Щелок из смесите­ля-подогревателя с помощью насоса по трубопро­воду подается через вторичный подогреватель к щелоковым форсункам котла. Перед подачей в топ­ку щелок с целью улучшения его распыла разогре­вают острым паром во вторичном подогревателе. Часть щелока по линии циркуляции возвращается в смеситель-подогреватель. Качество распыла ще­лока определяется размером его капель и зависит от условий распыла. Размер капель щелока, попа­дающего в топку котла, влияет, в свою очередь, на условия регенерации щелока, потери минеральных веществ за счет их уноса из топки котла и тепло­вую эффективность работы СРК [132, 133]. Про­цессом распыла щелока управляют путем измене­ния температуры и давления его перед форсунками с учетом данных о текущем составе щелока (кон­центрации в нем а. с. в.). Нагрузка СРК зависит от расхода щелока к форсункам котла и количе­ства включенных форсунок.

Сжигание щелока в топке котла. В топочном пространстве котла выделяют три зоны [134] в со­ответствии с уровнями подачи воздуха: восстанов­ления (ввод первичного воздуха), пиролиза (ввод вторичного воздуха) и окисления (ввод третичного воздуха). Щелок вводится в топку котла над уров­нем подачи вторичного воздуха. Из распыленных частиц щелока, попадающих в высокотемператур­ную среду топки, испаряется вода и газифициру­ются летучие органические вещества, которые сго­рают в области ввода вторичного воздуха. Подсу­шенные и частично сгоревшие частицы щелока из зоны пиролиза попадают в «огарок» на поду топ­ки (зону восстановления). За счет сжигания остав­шегося в частицах щелока углерода происходит восстановление серы с образованием сульфида на­трия, карбонизация натрия и под воздействием вы­деленного тепла образование расплава минераль­ных веществ щелока — плава. Плав с пода топки по леткам стекает в бак-растворитель. Из зон пи­ролиза и восстановления в верхнюю часть топки выбрасывается большое количество газообразных и твердых частиц, которые содержат часть несго-

ревшей горючей массы щелока. Для их дожигания (окисления) используют третичное дутье воздуха. Это позволяет снизить токсичность дымовых газов СРК и получить дополнительное количество тепла от сжигания щелока, который является низкока­лорийным высокозольным видом топлива.

Для успешной регенерации щелока в топке СРК необходимо в процессе его сжигания создать за счет управления расходами первичного и вторичного воздуха максимальную температуру в области по­довой части топки котла, создавая тем самым оп­тимальные условия для химических преобразова­ний минеральной части черного щелока.

Производство зеленого щелока из плава. Сте­кающий в бак-растворитель плав растворяют в сла­бом белом щелоке, который подают с фильтров промывки известкового шлама. Раствор плава в слабом белом щелоке называют зеленым щелоком. Для ускорения его растворения в баке-растворите­ле используют мешалки, непрерывную циркуля­цию зеленого щелока с помощью циркуляционных насосов и паровой распыл струи плава на выходе из леток. Полученный зеленый щелок насосами откачивают в приемные баки цеха каустизации зе­леного щелока. Конечное формирование свойств варочного раствора в процессе непрерывной регене­рации щелоков осуществляется в процессе каусти­зации зеленого щелока с помощью негашеной из­вести, т. е. преобразования карбоната натрия зе­леного щелока в едкий натр.

Генерация водяного пара за счет утилизации тепла от сжигания щелока. Утилизация тепла, вы­деленного в процессе сжигания щелока, направле­на на производство перегретого водяного пара. Теп­ло дымовых газов, образованных в топке котла, расходуется на нагрев, испарение питательной воды, перегрев насыщенного пара в теплообменниках па­роводяного тракта СРК, размещенных в газоходе котла (газовоздушный тракт). Процесс генерации пара в СРК в целом аналогичен процессу получения перегретого водяного пара в энергетических паро­вых котлах. Основной особенностью СРК при пере­носе тепла от дымовых газов к пароводяному трак­ту, является состав дымовых газов. Черные щело­ка — это влажное (30...40 % влаги), низкокалорий­ное (теплотворная способность 2800... 3500 ккал/кг черного щелока), высокозольное топливо (доля золы определяется минеральным составом щелока и со­ставляет около 50 % от содержания а. с. в.). Унос золы из топочного пространства СРК определяет потери химикатов целлюлозного завода и в зависи­мости от ее накопления и распределения на поверх­ностях нагрева пароводяного тракта котла значи­тельно снижает эффективность передачи тепла, а также длительность работы СРК [135].

Процесс очистки внешних поверхностей нагрева пароводяного тракта котла от зольных отложе­ний. Эффективность передачи тепла от дымовых газов к пароводяному тракту, паровая производи­тельность СРК и параметры перегретого пара за­висят от текущего состояния внешних поверхнос­тей теплообменников котла — величины зольных отложений на них. Величина эмиссий твердых ча­стиц из топочного пространства котла [136] явля­ется следствием ошибок в процессах подготовки топлива к сжиганию, его распылу в топке и орга­низации процесса сжигания щелока. Для удале­ния зольных отложений с поверхностей нагрева СРК и повышения его тепловой эффективности используют паровые сажеобдувочные аппараты (СОА). Эффективность процесса очистки от золы зависит от параметров пара, его расхода и дли­тельности работы сажеобдувочных аппаратов. Это приводит к значительному расходу пара на соб­ственные нужды СРК.

Очистка дымовых газов СРК. Дымовые газы, выходящие из содорегенерационного котла, кроме обычных продуктов от сгорания органических ви­дов топлива содержат характерные для СРК дур-нопахнущие компоненты соединения серы: се­роводород, метил-меркаптаны, а также достаточно много твердых минеральных частиц [137, 138]. Ниже приведен приблизительный состав дымовых газов:

Компонент % (объемный)

N₂ 55...65

Н₂0 15...25

С0₂ 15...25

0₂ 2

Другие Менее 1

Состав токсичных выбросов СРК приведен в табл. 1.37.

Вместе с дымовыми газами из топки уносится

о

летучая зола в количестве 5...20 г/нм , которая состоит в основном из Na₂S0₄ (95 %), Na₂C0₃ (4 % ) и NaCl (1 %).

Для очистки дымовых газов используют элект­рофильтры (удаление из дымовых газов твердых частиц) и скрубберы Вентури (удаление твердых пылевидных частиц и отдельных газообразных ве­ществ, например, содержащих серу).

Кратко о целях процесса регенерации щелока в СРК можно сказать следующее.

Т ехнологической целью процесса регенерации щелока в СРК является получение максимальной степени восстановления свойств щелока (преобра­зование минеральной части щелока в плав) с ми­нимальными потерями химикатов за счет созда­ния соответствующих условий в топке котла и про­цессе производства зеленого щелока. К данным ус­ловиям можно отнести подготовленность щелока к устойчивому горению в топке, качество распыла щелока в топочном пространстве и непосредствен­но условия в топке, которые определяют скорость, направленность химических реакций процесса ре­генерации и величину потерь химикатов с эмисси­ями из топочного пространства котла, а также ус­ловия получения зеленого щелока в баке-раство­рителе плава. Технологическим продуктом СРК является зеленый щелок, который получают в про­цессе растворения плава в слабом белом щелоке. Производительность СРК по зеленому щелоку оп­ределяется уровнем производительности целлюлоз­ного завода по целлюлозе и текущим запасом упа­ренных черных щелоков и устанавливается расхо­дом а. с. в. щелока в топку котла.

Энергетическая цель СРК — получение макси­мума пара заданных энергетических параметров (давления, температуры) при установленной нагруз­ке СРК по черному щелоку, т. е. максимальная утилизация тепловой энергии, выделенной в про­цессе регенерации щелока. Основными энергетичес­кими задачами являются:

1. обеспечение требуемого целлюлозным заво­дом уровня производительности СРК по пару из условия текущей нагрузки котла по щелоку;

2. организация процесса сжигания щелока как топлива с высокой зольностью при максимальном снижении эмиссии из топки пылевидных частиц и токсичных газообразных продуктов.

Требуемый расход пара решается обеспечением материального баланса котла его тепловым балан­сом за счет сжигания в топке СРК дополнительного топлива (например, мазута или природного газа). Решение второй задачи определяется стабилизаци­ей качества упаренного щелока, его распылом и ус­ловиями сжигания в топке за счет расхода общего воздуха на процесс горения и распределением воз­духа по уровням дутья. Снижение эмиссий пыле­видных частиц из топочного пространства СРК по­вышает передачу тепла от дымовых газов водопаро-вому тракту котла и уменьшает расход пара на соб­ственные нужды СРК, в частности, на очистку поверхностей нагрева котла от зольных отложений.